CN206944921U - 一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，通过车辆到位感知模块连接主控制器，多个路基形变测试传感器分别通过一个采集板连接主控制器，前端触发传感器无信号输出时，则主控制器处于待机状态，采集板处于断电状态，整个系统处于低功耗模式；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制电源电路给各采集板供电，整个系统进入工作状态。能够满足路基形变长期监测的要求，得到的分析结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、维修及道路状况的评估提供科学依据，具有广阔的应用前景。

Description

一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置

技术领域

本实用新型涉及一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置。

背景技术

路基、路面是公路的重要组成部分，其性能直接关系到道路本身的使用寿命。由于我国高等级公路建设起步较晚，技术力量薄弱，我国气候和交通荷载条件恶劣，再加上车辆超载严重，进而造成许多高等级公路路面的早期损坏，近年来，我国高等级路面过早的出现了车辙、开裂、泛油等损坏现象，严重的影响了道路的使用和人们的交通出行，如何防治高等级沥青路面早期损坏是目前急需解决的重大课题，已引起了我国道路交通部门的高度重视。

目前路基形变测试多是在提前设计好的试验路上开展，通过预先埋设的应变传感器反应道路的变形情况。现有测试方法需要测试人员每年选定有代表性的时段，到实验路段采用采集系统开展数据测试及分析工作，由于测试人员无法长期驻守测试，因此采集的数据量有限；此外，由于测试人员无法连续进行信号的测试分析，因此测试的数据无法完整准确的反应路基的形变情况。由此可见，现有的测试方法效率低且测试费用高；另外，由于技术人员无法长期驻守，无法得到完整的路面形变数据。

实用新型内容

本实用新型为了解决上述问题，提出了一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，本实用新型通过预埋的应变传感器测试道路的应变情况，传感器的信号通过本实用新型提出的自动采集装置实现数据的自动测试及存储。本实用新型提出的装置具备无人值守自动运行功能，能够满足路基形变长期监测的要求，得到的分析结果可用于分析道路受力特性，为高速公路的养护、维修及道路状况的评估提供科学依据，具有广阔的应用前景。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，包括供电电源、车辆到位感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器，传感器信号处理电路接收该信号并将其传送给控制器，控制器根据信号确定车辆到位，并利用通讯电路触发数据采集存储单元。

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变参数，数据采集存储单元包括多个并联的路基形变测试传感器，各个路基形变测试传感器的信号接入采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号，传输给主控制器进行数据采集。

进一步的，所述供电电源包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至设置的阈值下限时，太阳能充电系统自动开启给电池组供电。

进一步的，所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次经过差分运算放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

所述采集板中设有电源模块，将12V电压转正负5V电压，分别送入差分运算放大器和可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

所述路基形变测试传感器输出电阻信号，在采集板中通过惠斯通电桥将电阻信号转化为电压信号。

所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片，其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，控制每个采集板依次采集多个通道的信号，静态RAM芯片将采集数据进行暂时存储。

进一步的，所述静态RAM芯片在每次采样结束后的空档时间内，将采集的数据通过文件管理芯片转存至大容量Flash存储器中，每个数据采集时刻对应的实时时钟芯片的时间同步存入大容量Flash存储器中。

进一步的，所述车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制整个系统进入工作状态。

进一步的，所述主控制器通过IIC总线连接实时时钟芯片，且对其进行校准。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：

1)本实用新型提出的测试系统具备无人值守功能，可以实现路基应变参数的自动采集，系统使用过程中安装在实验路段附近即可，不再需要实验人员在现场亲自进行数据的测试工作，从而降低了数据测试的人力及物力消耗，有效的提高了数据测试的效率。

2)本实用新型提出的测试系统采用蓄电池供电，通过太阳能电池板给蓄电池充电；此外，当无车辆驶入实验路段时数据采集存储单元进入待机状态，有效降低整个系统的能耗水平，有效延长系统的工作时间，能够采集更多的数据，保证数据测试的完整性。

3)测试系统的自动化程度高，通过车辆到位感知模块自动判断车辆到位信息，进而控制数据采集存储单元采集路基应变数据，将数据实时存储至Flash存储器中。

4)本实用新型具备无人值守功能，且能够长期自动开展测试工作的智能采集分析系统，实现数据的智能、长时间监测，有效积累路基形变数据。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为本实用新型提出装置的整体结构示意图；

图2为数据采集存储模块结构示意图；

图3为车辆到位感知模块功能示意图；

图4为主控制器功能示意图；

图5为采集板功能示意图；

图6为车辆到位感知模块的脉冲信号处理电路图；

图7(a)为主控制器的高速静态RAM电路图；

图7(b)为主控制器的CH376S文件管理模块电路图；

图7(c)为主控制器的实时时钟模块电路图；

图8(a)为采集板的惠斯通电桥及差分运放电路图；

图8(b)为采集板的可编程放大器电路图；

图8(c)为采集板的高速模数转换芯片电路图。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本实用新型作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

RAM：随机存取存储器；

Flash存储器，简称为闪存，闪存是一种不挥发性(Non-Volatile)内存，在没有电流供应的条件下也能够长久地保持数据，其存储特性相当于硬盘，这项特性正是闪存得以成为各类便携型数字设备的存储介质的基础。

正如背景技术所介绍的，现有技术中存在路基形变测试中采集的数据量有限且测试的数据无法完整准确的反应路基的形变情况的不足，为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种无人值守智能道路路基形变参数自动采集系统，包括供电电源、车辆到位感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源，包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至下限时，太阳能充电系统自动开启给电池组供电。

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器信号，该信号经传感器信号处理电路整形处理后传送给控制器，控制器根据该信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路触发数据采集存储单元，开始进行数据采集及存储；

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变参数。数据采集存储单元包括多个路基形变测试传感器、采集板及主控制器，所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，路基形变测试传感器信号接入采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号，传输给主控制器进行数据采集。

所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次经过差分运算放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

所述采集板中设有电源模块，将12V电压转正负5V电压，分别送入差分运算放大器和可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片，其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，开始控制每个采集板依次采集24个通道的信号，静态RAM芯片将上述采集过程数据进行暂时存储；本次采样结束后，在空档时间，静态RAM芯片的数据通过文件管理芯片转存至大容量Flash存储器中，每个数据采集时刻对应的实时时钟芯片的时间同步存入大容量Flash存储器中。

基于上述系统的工作方法，包括以下步骤：

(1)车辆到位感知模块检测待测路段是否有车辆进入，当车辆进入时，车辆到位感知模块给主控制器发送采集数据命令；

(2)主控制器控制各个采集板的模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号，每次采集结束，都将当前时间同步保存至大容量Flash存储器，方便事后对数据的分析处理。

车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制整个系统进入工作状态。

为保证数据采集的实时性，采集的各通道信号首先暂存于RAM芯片；当采集过程结束后，将数据从RAM中转存入大容量Flash存储器中，实现数据的永久保存。

车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、单片机及通讯电路等四部分。激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器信号，该信号经施密特触发电路整形处理后传送给单片机，单片机根据该信号确定车辆是否到位，如果车辆到位则利用通讯电路告知数据采集存储单元，开始进行数据采集及存储。

数据采集存储单元包括路基形变测试传感器、采集板及主控制器等三部分。路基形变测试采用的传感器为全桥式应变传感器，该传感器利用压阻效应工作。该传感器输出微小的电阻信号，在采集板中通过惠斯通电桥将电阻信号转化为电压信号。数据采集存储单元配备有1块主控制器和3块采集板，每块采集板能够处理8路应变传感器信号，故系统最多能处理及采集24路应变信号。

采集板上有STC12C2052AD单片机、2.5V恒压源、LM258运算放大器、AD526可调增益放大器及MAX197高速模数转换芯片等组成。采集板具备以下作用：1)通过恒压源给各应变传感器供电；2)通过惠斯通电桥将全桥应变传感器输出的电阻信号转化为电压信号；3)通过LM258运算放大器搭建的差分运放电路对电压信号进行放大；4)通过低通滤波器对信号进行滤波处理，提高信号的信噪比；5)通过AD526可编程放大器实现各通道信号增益的调整。

主控制器上有STC12C5A60S2单片机、74HC573地址锁存器、625128高速静态RAM、CH376S文件管理芯片、PCF8563实时时钟芯片、MAX705硬件看门狗芯片及MAX232串口芯片等组成。当主控制器接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，开始控制每个采集板上的MAX197芯片依次采集24个通道的信号。由于系统采集的应变信号为瞬态信号，采集时间长且数据量大，为此采用高速静态RAM芯片625128实现采集过程数据的暂时存储；本次采样结束后，在稍长的空档时间，将625128中的数据通过CH376S转存至大容量Flash存储器中，对数据进行长久保存。为了将每次采集时的时间记录下来，将数据采集时刻对应的实时时钟芯片PCF8563的时间同步存入大容量Flash存储器中。

为了实现各通道增益的调整，主控制器单片机通过串口将各参数依次发给每个采集板的单片机STC12C2052AD，由该单片机控制各AD526实现各通道增益的设置。为了实现实时时钟芯片的时间校准，可以通过上位机软件给主控制器单片机发送时间信息，主控制器单片机通过IIC总线对实时时钟芯片PCF8563进行校准。

本申请的一种典型的实施方式中，如图1所示，本实用新型提出的实现方法包括3部分：太阳能充电锂电池组电源、车辆到位感知模块及数据采集存储单元。其中，车辆到位感知模块用于确定车辆是否到达路基应变测试区域，如果车辆到位则发送命令控制数据采集存储单元采集路基应变数据，每个车辆产生的路基应变数据都存储至大容量Flash存储器中。上述工作过程均自动实现，系统可以实现无人值守工作。通过太阳能充电锂电池组电源给上述两个部件供电，保证整个系统可以长期工作。

如图2所示，系统包括1块主控制器及3块采集板。每块采集板能够处理8路应变信号，故系统最多能处理及采集24路通道信号。主控制器采用STC12C5A60S2单片机作为控制核心，一旦系统需要采集数据时，2.5V恒压源将电压送给全桥应变传感器，传感器输入的信号依次经过差分运算放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入MAX197芯片的采样通道中。主控制器单片机依次控制每个采集板上的MAX197芯片采集24通道的信号，采集的每通道信号都随即存储至高速静态RAM中，直到各通道数据采集和暂存完毕后，主控制器单片机将RAM中暂存的各通道数据、实时时钟记录的时间，通过CH376S存入大容量Flash存储器中。为了实现各通道增益的调整，主控制器单片机可以接收上位机传送的增益设置参数，并通过串口将各参数依次发给每个采集板的单片机STC12C2052AD，并由该单片机控制各AD526实现对应增益的设置。主控制器单片机还可以根据接收的上位机传送的时钟数据对实时时钟芯片的工作进行配置。

如图3所示，车辆到位感知模块以Freescale DZ60单片机为控制核心。采用施密特触发器4093作为处理芯片，对到位传感器信号进行整形处理，处理后的信号送入单片机的输入捕获功能引脚。车辆到位时将触发输入捕获中断，单片机据此确定车辆到位。单片机一方面会通过状态指示电路显示车辆到位信息；

另外，通过MAX232串口通讯电路给数据采集存储单元发送命令，控制其开始采集路基应变数据。

如图4所示，主控制器以STC12C5A60S2单片机为控制核心；采用74HC573地址锁存器及625128高速静态RAM作为暂存单元，存放采集过程的临时数据；采用CH376S文件管理芯片扩展大容量Flash存储器接口电路；采用PCF8563实时时钟芯片记录每次采样的时刻；通过MAX705硬件看门狗芯片保证整个工作的可靠性；此外采用MAX232芯片实现了2路串口通讯功能，1路串口通讯与上位机软件连接用于接收控制参数，另外，该路串口还可与车辆到位感知模块连接，用于接收到位信息；另一路串口则用于同各采集板的单片机相连，发送各通道的增益参数。

如图5所示，采集板电路通过2.5V恒压源MC1403给各全桥应变传感器供电，传感器输出信号首先送入LM258运算放大器进行差分放大，同时通过低通滤波电路对信号进行处理；初步处理的信号送入AD526可调增益放大器中对放大倍数进行二次调节；调节后的电压信号送入MAX197模数转换单元中进行采集，采集后的信号暂存至主控制器的高速RAM中；为了保证能够对正负全桥传感器信号进行处理，采集板中通过12V转正负5V开关电源模块产生正负电压，并送给LM258和AD526；AD526的增益调整则通过板载的小型单片机STC12C2052AD进行控制。

图6为脉冲信号处理电路，首先通过三极管将到位传感器的信号进行降幅，使得信号的高电平为5V。降幅处理后的信号经过施密特触发器4093整形后成为TTL电平的脉冲信号，将该信号送入单片机的输入捕获引脚，当车辆到位时触发中断,实现车辆到位判断。车辆到位模块具备通讯功能，当判断车辆到位后，通过通讯方式告知数据采集存储模块，开始采集数据。

主控制器中的主控单片机采用48引脚的STC12C5A60S2单片机，主控制器单片机对各外围器件进行控制管理，包括各通道增益设置、各通道数据采集及暂存、日期时间设置及当前时间读取、大容量Flash存储器的访问等功能。

图7(a)为高速静态RAM电路，智能采集系统工作时需要快速采集24个通道的数据，数据量大，主控制器单片机片内RAM容量无法满足要求，为此通过74HC573地址锁存器，采用总线方式外扩了高速静态RAM芯片625128，该存储器的最大容量为512k字节，存储速度及存储数据量均满足暂存采集的路基应变信号的要求。

图7(b)为CH376S文件管理模块电路，CH376S是文件管理控制芯片，主控制器单片机通过该芯片实现了大容量Flash存储器的写入操作。该芯片支持三种通讯接口：8位并口、SPI接口或者异步串口。由于本系统已经通过并口方式外扩了高速静态RAM，为了减轻总线负担，未采用并口方式；主控制器单片机有2路串口，其中1路用于与各采集板载单片机通讯传递AD526放大器的增益信息，另一路串口用于同上位机软件或车辆到位模块进行通讯，两路串口都已经用完，为此本系统采用SPI接口实现对CH376S芯片的控制，为了方便系统的硬件设计，SPI接口通过单片机的普通引脚模拟时序产生。

图7(c)为实时时钟模块电路，时钟模块采用PCF8563芯片。每次数据采集完毕后，单片机读取PCF8563的日期时钟信息，将时间信息同采集的传感器数据一块保存进大容量Flash存储器中。另外，为了保证时钟模块的稳定工作，系统单独为其提供了备用电源，当意外断电等情况发生时，保证系统时间信息不丢失，保障时钟功能的持续稳定工作。

图8(a)为惠斯通电桥及差分运放电路，在此采用2.5V恒压源MC1403芯片供电，电桥输出电压绝对值与传感器受力成正比。系统利用LM258运放芯片构成差分运放电路，对应变传感器输出的信号进行第一级放大。为了提高信号的信噪比，在运放电路前后都采用RC低通滤波电路去除高频干扰信号。

图8(b)为可编程放大器电路，该电路主要是为了更方便的对各通道信号的增益进行调整，采用可编程放大器AD526作为第二级放大电路，通过AD526的设置改变各通道的增益。AD526是一款单端、单芯片软件可编程增益放大器(SPGA)，提供1、2、4、8、16五种增益。为了更灵活的调整各通道的增益，本系统对每通道信号都采用了2片AD526串联的方式，这样能够形成1、2、4、8、16、32、64及128，共计8种增益的设置，提高了系统使用的灵活性。

图8(c)为高速模数转换芯片电路，系统在使用过程中需要高速采集24路通道的信号，为此，需要采用高速模数转换芯片，在此，选用了Maxim公司推出的MAX197芯片对各通道信号进行模数转换。MAX197是具有12位测量精度的高速A/D转换芯片，能够采集8路模拟信号。通过MAX197提供的内部控制实现通道选择、模拟信号量程、极性等参数设置。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：包括供电电源、车辆到位感知模块和数据采集存储单元，其中：

所述供电电源将直流电供给车辆到位感知模块和数据采集存储单元，所述车辆到位感知模块包括激光测距传感器、传感器信号处理电路、控制器及通讯电路，激光测距传感器固定在路边，当车辆到达传感器安装位置时触发传感器，传感器信号处理电路接收该信号并将其传送给控制器，控制器根据信号确定车辆到位，并利用通讯电路触发数据采集存储单元；

所述数据采集存储单元接收触发信号后，利用压阻效应实时测量路基形变参数，数据采集存储单元包括多个并联的路基形变测试传感器，各个路基形变测试传感器的信号接入采集板，所述采集板将路基形变测试传感器测量的电阻信号转化为电压信号，传输给主控制器进行数据采集。

2.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述供电电源包括锂电池组及太阳能充电系统，锂电池组产生直流电源供给车辆到位感知模块及数据采集存储单元，当锂电池组电量降低至设置的阈值下限时，太阳能充电系统自动开启给电池组供电。

3.如权利要求2所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述锂电池组及太阳能充电系统并联。

4.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述采集板包括单片机、模数转换模块、可调增益放大器、差分运算放大器和惠斯通电桥，其中，惠斯通电桥连接路基形变测试传感器，通过惠斯通电桥将传感器输出的电阻信号转化为电压信号，处理后的信号依次 经过差分运算放大器、低通滤波电路及可调增益放大器进入模数转换模块的采样通道中，主控制器通过模数转换模块采集路基形变测试传感器的信号。

5.如权利要求4所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述采集板中设有开关电源模块，将12V电压转正负5V电压，分别送入差分运算放大器和可调增益放大器中，以保证能够对正负全桥传感器信号进行处理。

6.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述路基形变测试传感器为全桥式应变传感器，在外力作用下，导体或半导体材料产生机械变形，从而引起材料电阻值发生相应变化，将被测物体的应变转换成与之成正比关系的电阻相对变化量。

7.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述路基形变测试传感器输出电阻信号，在采集板中通过惠斯通电桥将电阻信号转化为电压信号。

8.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述主控制器，包括主控单片机、静态RAM、文件管理芯片和时钟芯片，其中，主控单片机接收到车辆到位感知模块传送的车辆到位命令后，控制每个采集板依次采集多个通道的信号，静态RAM芯片将采集数据进行暂时存储。

9.如权利要求8所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述静态RAM芯片在每次采样结束后的空档时间内，将采集的数据通过文件管理芯片转存至大容量Flash存储器中，每个数据采集时刻对 应的实时时钟芯片的时间同步存入大容量Flash存储器中。

10.如权利要求1所述的一种基于大容量存储设备的道路应变参数自动采集装置，其特征是：所述车辆到位感知模块连接主控制器，当无车辆到来时，数据采集存储单元处于待机状态；当车辆到位感知模块输出信号时，则主控制器控制整个系统进入工作状态。